Kako izbrati transformatorje z visoko natančnostjo za meritve?

Razumevanje razredov natančnosti transformatorjev in standardov

Razlaga razredov natančnosti TT: 0,1, 0,2 in 0,5 po standardu IEC 61869-2

Merilni transformatorji prihajajo z standardnimi natančnostnimi razredi, določenimi v smernicah IEC 61869-2. Ti razredi so osnovno označeni z številkami, kot so 0,1, 0,2 in 0,5, kar nam pove, kolikšna napaka je dovoljena pri merjenju toka pri različnih obremenitvah. Na primer transformator s tokom (CT), označen z razredom 0,1, ohranja natančnost znotraj približno ±0,1 %, medtem ko se razred 0,5 lahko odmakne največ za pol procenta v katero koli smer. Manjša številka pomeni na splošno višjo natančnost. Enote razreda 0,1 se običajno uporabljajo tam, kjer je denar najpomembnejši, saj celo majhne napake neposredno vplivajo na obračunske izračune. Razred 0,2 ponuja dovolj natančno merjenje za pomembne sisteme za zaščito, ne da bi bilo treba prekomerno porabiti sredstev, medtem ko razred 0,5 zadostuje za vsakodnevne nadzorne naloge. Glede na standarde morajo proizvajalci testirati te naprave v območju od 5 % do 120 % njihove nazivne zmogljivosti, da zagotovijo pravilno delovanje v realnih pogojih. Poleg natančnosti merjenja morajo preveriti tudi druge dejavnike, vključno z učinkovitostjo pri obravnavi faznih kotov in odzivom na spremembe obremenitvenih razmer.

Kako razred natančnosti določa največjo dovoljeno napako pri nazivnih pogojih

Razred natančnosti nam v osnovi pove, kakšna je največja možna napaka (kombinirane napake razmerja in fazne napake), ko so vse stvari v laboratorijskih pogojih popolne. Govorimo o meritvah, opravljenih pri nazivni frekvenci, standardni temperaturi okoli 20 stopinj Celzija in kadar sekundarno obremenitev natančno ustreza predpisani vrednosti. Vzemimo za primer tokovni merilnik razreda 0,2. Ta naprava bo ohranila napako znotraj mej 0,2 odstotka le takrat, ko deluje pri polni nazivni tokovni obremenitvi in ostaja znotraj ±25 odstotkov predpisane ravni obremenitve. Vendar se stvari hitro začnejo odmikati od idealnih pogojev, ko v igro vstopijo dejanski razmerji na terenu. Spremembe obremenitve, nastavitev obremenitve ali okoliške temperature – celo majhne razlike od idealnih pogojev – lahko povzročijo, da oprema ne deluje več v skladu s svojimi deklariranimi razrednimi specifikacijami. Če obremenitev preseže dovoljene tolerance, postane celotna klasifikacija neveljavna in med dejanskimi operacijami na terenu lahko napake meritev naraščajo tudi nad 0,5 odstotka.

Ključni električni parametri, ki določajo natančnost transformatorja v realnih razmerah

Ujemanje obremenitve in sekundarna impedanca: preprečevanje zmanjšanja natančnosti

Pravilna izbira obremenitve je zelo pomembna pri transformatorjih. Obremenitev na sekundarni navitvi je običajno tisto, kar povzroča težave z natančnostjo, ki jih v praksi opazimo. Če dejanska obremenitev preseže nazivno vrednost, izraženo v VA, se stvari hitro začnejo poslabševati. Jezgro se prenapne, kar negativno vpliva na meritve razmerja in faznega kota. Vzemimo za primer tokovni transformator razreda 0,5: če ga obremenimo za več kot 40 % nad njegovo nazivno obremenitev, se nenadoma obnaša kot enota razreda 0,8. Prav tako ne smemo pozabiti na sekundarno impedanco. Večja impedanca pomeni večje napetostne padce na priključnih vodnikih in skozi tuljave relejev, kar izkrivlja kakovost signala. Opazili smo primer, ko je že 20-odstotna neskladnost povzročila dodatno napako približno 0,4 % le pri merilnih napravah za obračun električne energije. Takšno odstopanje popolnoma izključi skladnost z razredom 0,2. Za vse, ki zahtevajo visoko natančnost, je natančno prilagajanje obremenitve danes več kot le dobra praksa – to je popolnoma nujno, če želijo, da ostane njihova oprema v skladu s standardom IEC 61869-2 med običajnimi obratovalnimi pogoji.

Nazivna in dejanska območja toka: linearnost in napaka pri meritvah pri nizki obremenitvi v merilnih transformatorjih

Transformatorji postanejo nelinearni, ko delujejo izven obsega tokov, v katerem delujejo najbolje. Pri tokovih, ki so manjši od približno 5 % njihove nazivne vrednosti, ni dovolj vzbujanja jedra, kar povzroča pomembne napake. Celo napredni transformatorji razreda 0,5 lahko pri delovanju z majhnimi obremenitvami včasih dosežejo napako več kot 1 %. Na zgornjem koncu se razmera še poslabšajo. Ko prekoračimo 120 % nazivne zmogljivosti, se začne magnetna zasičenost, zaradi česar popolnoma izgubimo linearnost, običajno pa se odstopanja povečajo nad 2 %. Vzemimo za primer tipičen tokovni transformator z nazivnim tokom 100 A. Odlično deluje približno od 10 A do 120 A, vendar če tok znižamo na npr. 5 A, se napaka nenadoma poveča nad 2 %. Da ohranijo natančnost, morajo inženirji izbrati transformatorje, pri katerih dejanski delovni tok v praksi leži udobno v sredini nazivnega obsega, ne pa le kjerkoli med minimalno in maksimalno vrednostjo. Ta pristop pomaga izogniti se zelo neprijetnim napakam pri majhnih obremenitvah in preprečuje, da bi težave zaradi zasičenosti pokvarile celotno integriteto signala.

Okoljski in sistemskega nivoja dejavniki, ki vplivajo na zmogljivost transformatorjev

Temperatura, frekvenca in harmonike: kvantificiranje odstopanj od idealne natančnosti

Transformatorji pogosto izgubijo natančnost, ko so izpostavljeni okoljskim in sistemskim obremenitvam, ki presegajo specifikacije iz laboratorijskih preskusov. Spremembe temperature vplivajo tako na permeabilnost jedra kot na upornost navitja. Na primer, če se temperatura poveča le za 8 °C nad normalnim obratovalnim območjem, se pospeši staranje izolacije in povzroči opazne spremembe merilnih razmerij, kot je določeno v standardu IEC 60076-7 iz leta 2023. Drug problem izvira iz nestabilnosti omrežne frekvence, kar je zelo pogosto v šibkih omrežjih ali izoliranih sistemih. To povzroča napake zaradi zasičenja jedra, še posebej, ko frekvence padajo pod normalne vrednosti. Harmonične motnje ustvarjajo še eno zapleteno težavo. Tretje in pete harmonike z vsoto harmoničnih motenj nad 10 % dejansko izkrivljajo obliko valovnega obrazca na način, ki ga standardne ocene natančnosti sploh ne upoštevajo. Tokovi z izhodiščnim (DC) premikom stanje še dodatno poslabšajo, saj v jedrih povzročajo ostankovo magnetizacijo, kar ovira zaznavo prehodov valovnega obrazca skozi ničelne točke. Praktični preskusi kažejo tudi zanimiv rezultat: transformatorji, ki v nadzorovanih laboratorijskih pogojih izpolnjujejo standard razreda 0,5, ob vseh teh kombiniranih obremenitvah – vključno z visoko temperaturo, harmoničnimi motnjami in odstopanji frekvence – običajno dosegajo le natančnost približno na ravni 1,0. Za boj proti tem težavam morajo inženirji vnaprej načrtovati zmanjšanje nosilnosti za približno 15 do 20 odstotkov pri namestitvah v toplejših okoljih ter namestiti filtre za harmonike vsakič, ko skupna stopnja harmoničnih motenj presega 8 odstotkov.

Preverjanje in določanje transformatorjev z visoko natančnostjo za kritične aplikacije

Primer iz prakse: Zakaj je tokovni transformator razreda 0,2 v elektroenergetskih merilnih postajah dosegel natančnost razreda 0,5

Projekt merjenja energije na transformatorski postaji je naletel na resne težave z natančnostjo, ko je tokovni transformator (CT) razreda 0,2 dosegel le natančnost razreda 0,5. Po podrobnejši analizi smo ugotovili, da so v polju dejansko trije različni problemi, ki jih pri tovarniški kalibraciji niso upoštevali. Najprej so ravni harmonskih izkrivljenj presegale 15 % THD zaradi velikega števila nelinearnih obremenitev v okolici, kar je povzročilo napake faznega kota, ki jih običajni preskusi napake razmerja popolnoma niso zaznali. Nato je bila tudi težava s temperaturo: oprema je morala delovati v temperaturnem obsegu od −10 °C do največ 50 °C, kar je povzročilo spremembe magnetne prepustnosti jedra in dodatno napako razmerja za 0,1 % poleg že določene napake. Nazadnje je sekundarna obremenitev znašala 4,5 VA, kar je za 40 % več kot nazivna obremenitev CT-ja (3,2 VA). Ta razlika je povzročila povečanje faznega zamika za 0,3 stopinje in znatno zmanjšala skupno natančnost. Vse te dejavnike skupaj je pripeljalo do skupne napake, ki je presegla mejo 0,2 %. To nas uči pomembne lekcije: dejstvo, da nekaj uspešno prestane laboratorijske preskuse, še ne pomeni, da bo delovalo popolnoma v realnih pogojih. Pri kritičnih meritvah električne energije morajo specifikacije upoštevati dejanske profili harmonikov, realne temperaturne obsege in dejanske meritve obremenitve namesto, da bi se zanašali izključno na podatke, natisnjene na oznaki opreme.

Pogosta vprašanja

Kaj so razredi natančnosti merilnih transformatorjev toka?
Razredi natančnosti merilnih transformatorjev toka, kot so 0,1, 0,2 in 0,5, označujejo največjo dovoljeno napako merilnih transformatorjev toka v skladu s standardom IEC 61869-2. Manjša številka pomeni večjo natančnost meritve.

Zakaj je usklajevanje obremenitve pomembno za transformatorje?
Usklajevanje obremenitve zagotavlja, da obremenitev sekundarne navitve transformatorja ustreza njegovi nazivni moči, s čimer preprečuje nasititev jedra in ohranja natančnost.

Kako vplivajo okoljski dejavniki na natančnost transformatorjev?
Dejavniki, kot so spremembe temperature, nestabilnost frekvence in harmonične izkrivitve, lahko zmanjšajo natančnost transformatorjev, saj spreminjajo prepustnost jedra in upornost navitij.